DE2534607C3

DE2534607C3 - Radialverdichter

Info

Publication number: DE2534607C3
Application number: DE2534607A
Authority: DE
Inventors: Jury Borisovitsch Galerkin; Konstantin Pavlovitsch Seleznev; Leonid Yakovlevitsch Strischak; Anatoly Vasilievitsch Zuev
Original assignee: Leningradskij Politechnitscheskij Institut Imeni Mi Kalinina Leningrad (sowjetunion)
Current assignee: Leningradskij Politechnitscheskij Institut Imeni Mi Kalinina Leningrad (sowjetunion)
Priority date: 1975-08-02
Filing date: 1975-08-02
Publication date: 1980-11-06
Also published as: DE2534607A1; DE2534607B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Radialverdichter mit einem Diffusor und einem Laufrad mit Schaufeln konstanter Dicke, deren Länge im Verhältnis zum arithmetischen Mittel der Breite des Schaufelkanals 3,8 bis 5,6 beträgt.

Radialverdichter dieser Art sind aus der DE-PS 8 89 262 oder der FR-PS 4 40 487 bekannt. Die konstante Dicke der Schaufeln bedeutet dabei, daß diese aus Blech gebogen sein können, was den Herstellungsaufwand verringert. Andererseits haben solche Schaufelkränze gewöhnlich einen etwas geringeren Wirkungsgrad bzw. höhere Verluste als in aufwendiger Weise aerodynamisch profilierte Schaufeln.

Sehr verbreitet sind Laufräder und Diffuseren mit Schaufeln, die einen kreisabschnittförmigen Verlauf haben. Der Krümmungsradius und die Lage des Krümmungsmittelpunkts dieser Schaufeln ergeben sich zwangsläufig aus dem vorgegebenen Eintritts- und Austrittswinkels der Schaufeln. Solche Lauf- und Leitschaufelkränze haben einen ausreichenden Wirkungsgrad bei kleinen und mittleren Machzahlen, wie sie für Radialverdichter für niedrige und mittlere Druckerhöhungs- und Gasdurchsatzkoeffizienten bei Umfangsgeschwindigkeiten am Außendurchmesser des Laufrades bis 200^250 m/sec kennzeichnend sind.

Bei einer Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades kann es örtlich zu Überschallgeschwindigkeiten kommen, was mit dem Auftreten von Verdichtungsstößen und Strömungsablösung verbunden ist, wobei der Wirkungsgrad schroff absinkt. Dadurch ergeben sich Grenzen für die pro Verdichterstufe erzielbare Druckerhöhung.

Um möglichst hohe Druckerhöhungen pro Verdichterstufe zu erzielen, sucht man Schaufelformen, bei denen die Gefahr der Strömungsablösung verringert ist. Bei der eingangs genannten DE-PS 8 89 262 kommen dabei Schaufeln zur Anwendung, die zwischen einem jeweils gekrümmten Eintritts- und Austrittsabschnitt einen geradlinigen Abschnitt aufweisen. Auf diesem geradlinigen Abschnitt steigt der Schaufelwiderstand, also der Winkel zwischen der Tangente an den Schaufelverlauf und der Umfangsrichtung, von 20° auf 45°. Um die Relativgeschwindigkeit im Zwischenschaufelkanal konstant zu halten und dadurch die Gefahr von Strömungsablösung mit sich bringende Verzögerungen zu vermeiden, wird die Schaufelbreite veränderlich mit

ίο einem engsten Durchtrittsquerschnitt zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsdurchmesser gewählt Dadurch soll vor allem erreicht werden, daß der größte Teil der Energieumsetzung im Laufrad stattfindet; eine Erhöhung des verlustarmen Arbeitsbereichs in die Gebiete hoher Druckerhöhung wird hierdurch nicht erreicht

Aus der weiterhin genannten FR-PS 4 40 487 ist eine Schaufelform bekannt, bei der auf einem ersten, an die Eintrittskante anschließenden Abschnitt der Schaufelwinkel fällt, um dann nach etwa 0,3 der Schaufelkanallänge wieder anzusteigen. Dabei sind die Schaufeln aus elastischem Blech ausgeführt so daß eine Formänderung möglich ist, womit erreicht werden soll, daß der Verdichter bei wechselnden Gegendrücken eine konstante Fördermenge liefert. Auch diese Schaufelform wäre ungeeignet zur Erzielung großer Druckerhöhungsziffes'n.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demgegenüber die Schaffung eines Radialverdichters mit Schaufeiformen, die eine Erweiterung des verlustarmen Betriebsbereichs zu hohen Druckerhöhungsziffern hin gestatten Dabei gehört es zur Erfindung, daß die Schaufelformen gewährleisten sollen, daß bei monoton fallender mittlerer Strömungsgeschwindigkeit im Kanal die Relativgeschwindigkeit der Strömung längs der Rückseite (Saugseite) der Schaufel etwa konstant bleibt oder etwas ansteigt, was in diesem besonders ablösungsgefährdeten Bereich eine gute Sicherheit vor Strömungsablösungen bietet Im Gegensatz zu Axialverdichtem ist bei Radialverdichtern die Konstanthaltung der Strömungsgeschwindigkeit auf der Saugseite der Schaufeln noch nicht gelöst worden.

Ausgehend von einer Ausbildung der eingangs genannten Art wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Schaufeln wenigstens des Laufschaufelkranzes so gekrümmt sind, daß auf ihrem ersten Abschnitt von der Eintrittskante bis £ur Mitte in radialer Richtung der Winkel zwischen der Schaufellinie una er Umfangsrichtung im betrachteten Punkt konstant und gleich dem Eintrittswinkel ist und daß dieser Winkel auf dem zweiten Abschnitt von der Mitte in radialer Richtung bis zur Austrittskante nach einer quadratischen Parabel ansteigt Wenn der sich an das Laufrad anschließende Diffusor ebenfalls beschaufelt ist, folgt der Verlauf von dessen Leitschaufeln vorteilhafterweise ebenfalls dem genannten Gesetz. In einer Weiterbildung der Erfindung kann es zweckmäßig sein, wenn benachbarte Schaufeln des betrachteten Schaufelkranzes derart verschieden lang sind, daß der Durchmesser des Kreises, auf dem die Eintrittskanten der kürzeren Schaufeln liegen, 1,2 bis 1,3 des Durchmessers des Kreises beträgt, auf dem die Eintrittskanten der längeren Schaufeln liegen. Eine solche Ausbildung ist an sich aus der CH-PS 2 27 404 bekannt Bei einer solchen Bauart ergibt sich eine Erweiterung des Arbeitsbereichs des Verdichters.

Der parabolische Anstieg des Schaufelwinkels von der Mitte der Schaufel bis zur Austrittskante läßt sich

beschreiben durch die Beziehung

fix-Ik

Dabei ist

= A + B + C

r₂ - ή

ß2
Γχ

der laufende Schaufelwinkel,

der Eintrittswinkel der Schaufel,

der Austrittswinkel der Schaufel,

der Radius, auf dem der betrachtete Punkt liegt,

der Innenradius, auf dem die Schaufeleintrittskante liegt,

Γ2 der Außenradius, auf dem die Schaufelaustrittskante liegt,

A, B und C Koeffizienten, die den knickfreien Verlauf der Schaufellinie zwischen dem vorgegebenen Anfangswinkel ß\ und dem Endwinkel 82 gewährleisten.

ihr laufender Schaufelwinkel β ist auf dem ersten Abschnitt von der Eintrittskante bis zur Mitte in Radialrichtung konstant, d.h. er bleibt gleich dem Eintrittswinkel ß_u während er von der radialen Mitte bis zur Austrittskante gemäß der obengenannten Abhängigkeit nach einer quadratischen Parabel ansteigt

Die Anzahl ζ der Schaufeln 6, 7 wird aus der Bedingung bestimmt, daß das Verhältnis der Schaufellänge zum arithmetischen Mittel der Breite des Schaufelkanals zwischen 3,8 und 5,6 liegt Dabei ergibt sich die mittlere Breite ä des Schaufelkanals aus der Beziehung

π D .
a = sin;;-»)

mit

10

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung bleibt die relative Strömungsgeschwindigkeit längs der Schaufelrückseite (Saugseite) konstant oder nimmt vom Eintritt zum Austritt etwas zu, wobei die Machzahl an keinem Punkt auf der Schaufelrückseite größer wird als die Machzahl am Eintritt in den Schaufelkanal. Auf diese Weise ist die Gefahr einer Strömungsablösung und die Gefahr des Auftretens kritischer Strömungszustände, die mit Verdichtungsstößen und dadurch ebenfalls mit Strömungsablösung verbunden wären, beseitigt. Das wiederum verringerte die Verwirbelungsverluste insbesondere in den Bereichen an sich hoher Machzahlen.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen weiter erläutert Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen achsrechten Schnitt eines Radialverdichters,

F i g. 2 schematisch den achsnormalen Schnitt mit dem Verlauf der Schaufeln,

F i g. 3 Diagramm der Verteilung der relativen Geschwindigkeit des Förderstroms längs der Oberflächen der Laufschaufeln über die Länge des Schaufelkanals,

Fig.4 Diagramm der Verteilung der relativen Geschwindigkeit des Förderstroms längs der Oberflächen der Leitschaufeln (Diffusorschaufeln) über die Länge des Schanfelkanals des Diffusors,

F i g. 5, 6, 7 Arbeitskennlinien von Radialverdichtern mit schaufellosen Diffusoren,

F i g. 8 Arbeitskennlinien eines Radialverdichters mit beschaufeltem Diffusor.

Der dargestellte Radialverdichter hat ein Laufrad 1, einen beschaufelten Diffusor 2 sowie ein Spiralgehäuse 3.

Das Laufrad 1 ist aus zwei Scheiben 4, 5 ausgeführt, zwischen denen die Laufschaufeln 6,7 gleichmäßig über dem Umfang verteilt angebracht sind. Die Schaufeln 6,7 sind verschieden lang und folgen jeweils aufeinander.

Der beschaufelte Diffusor 2 ist ebenfalls aus zwei Scheiben 8,9 ausgeführt, 7' '-,:., _-. denen die Leitschaufein 10 gleichmäßig über dem Umfang verteilt angebracht sind.

Das Laufrad i und der beschaufelte Diffusor 2 sind in bekannter Weifte durch Fräsen, Gießen oder dergl. hergestellt oder die Schaufeln sind mit den Scheiben durch Schrauben, Nieten. Schweißen oder dergl. verbunden.

Die Schaufeln 6,7 haben eine konstante Dicke δ und

20 und

β - —j—·

Dabei ist D\ =2 τ\, also der Durchmesser, auf dem die Eintrittskanten liegen und Ih=2 Γ2, also der Durchmesser, auf dem die Austrittskanten der Schaufeln Hegen.

Bei der beschriebenen Form der Schaufeln 6,7 bleibt die relative Geschwindigkeit des Gasstroms längs der Schaufelrückseite konstant oder nimmt stetig zu, und die Größe der Machzahl an der Schaufelrückseite übersteigt nicht die dort am Eintritt herrschende Machzahl. Die Verteilung der relativen Geschwindigkeit des Gasstroms an den Schaufeloberflächen längs des Schaufelkanals ist in F i g. 3 dargestellt Dabei bedeutet:

Wi die mittlere relative Geschwindigkeit am Eintritt in den Schaufelkanal;

Wi die mittlere relative Geschwindigkeit des Stroms am Austritt aus dem Schaufelkanal;

W3 die relative Geschwindigkeit an der Schaufelrückseite;

W4 die relative Geschwindigkeit des Stroms an der Schaufelvorderseite (Druckseite);

w die mittlere relative Geschwindigkeit im Schaufelkanal.

Die Eintrittskanten der verkürzten Schaufeln 7 liegen auf einem Kreis mit dem Radius r'—\l2D'. Im Diagramm der relativen Geschwindigkeiten gemäß Fig.3 sind die Verläufe für ein Schaufelgitter mit vollständiger Anzahl der Schaufeln 6 die ausgezogenen Linien 1 angegeben und für ein Schaufelgitter mit halbierter Anzahl von Schaufeln 6 durch die gestrichelten Linien 2. Der Schnittpunkt der Verläufe von Wz liegt bei r'.

Bei Versuchsmustern, die experimentell untersucht wurden, betrug der Durchmesser £>', auf dem die Eintrittskanten der verkürzten Schaufeln 7 lagen, von 1,2 bis 1,3 des Durchmessers des Kreises, auf dem die Eintrittskanten der Schaufeln 6 lagen.

Der beschaufelte Diffusor 2 besitzt Schaufeln 10, deren Form der Form der Schaufeln 6 und 7 des Laufrades 1 ähnlich ist. Auch diese Form ist so gewählt, daß die Stromgeschwindigkeit längs der Oberfläche der Schaufelrückseite konstant und der Stromgeschwindig-

X . ι

keit am Eintritt in den Schaufelkanal gleich ist, wie es in F i g. 4 dargestellt ist Dabei bedeutet:

die Stromgeschwindigkeit am Eintritt in den Schaufelkanal dos Diffusors 2;

die mittlere Stromgeschwindigkeit am Austritt aus dem Schaufelkanal des Diffusors 2;

die Stromgeschwindigkeit an der Rückseite der Schaufeln 10 des Diffusors 2;

die Stromgeschwindigkeit an der Vorderseite der Schaufeln 10 des Diffusors 2;

die mittlere Geschwindigkeit im Schaufelkanal des Diffusors 2 und

α die Radien, auf denen die Eintritts- bzw. die

liegen.

Auch im Diffusor 2 übersteigt die Machzahl an einem beliebigen Punkt der Schaufelrückseite nicht die dort am Eintritt in den Schaufelkanal herrschende Machzahl.

In den Diagrammen gemäß F i g. 5 bis 8 sind Meßwerte von experimentell untersuchten Lauf rädern wiedergegeben. Der Außendurchmesser Eh aller Laufräder war 352 mm. Die Schaufeln der Laufräder der Varianten I, II, IV und VI waren gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt, während die Laufräder der Varianten III, V und VII übliche Schaufeln hatten, die kreisbogenförmig gekrümmt waren.

Dabei ist über dem Durchsatzkoeffizienten

Φ_ο =

der innere Druckkoeffizient
_{ψ =} C,(T₂-T₀)

der adiabalische Druckkoeffizient

Jt-

und der adiabatische Wirkungsgrad

Jt-:

>ι =

'-ι

C_p [T₂ - T₀)

aufgetragen, wobei folgende Bedeutungen gelten:

V₀ Gasdurchsatz entsprechend den Gasparametern am Eintritt in das Laufrad;

Lh Außendurchmesser des Laufrades;

Ui Umfangsgeschwindigkeit am Außendurchmesser des Laufrades;

Cp mittlere spezifische Wärme des Gases bei konstantem Druck;

T₂ Gesamttemperatur (Staupunktstemperatur) des Gases am Austritt aus dem Laufrad;

7o Gesamttemperatur (Staupunktstemperatur) des Gases am Eintritt in das Laufrad;
Erdbeschleunigung;

Gesamtdruck (Staupunktsdruck) des Gases am Austritt aus der Stufe und

Pn Gesamtdrück (Staüpunktsdruck) des Gases am Eintritt in das Laufrad.

Wie aus Fig.5 ersichtlich ist, gewährleisten die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführten Laufräder eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Stufe des Radialverdichters um ungefähr 5-H 6% gegenüber den bekannten Laufrädern.

In Fig.6 und 7 sind Kennlinien der Stufen des Radialverdichters nach den Varianten IV, V, VI, VII und mit schaufellosen Diffusoren dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, daß die Laufräder nach der Erfindung bei niedrigeren Durchsatzkoeffizienten des Fördermittels eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Stufe des Radialverdichters von ungefähr 2-=-3% gegenüber den bekannten Laufrädern zu erzielen gestatten.

Aus F i g. 6 und 7 ist ferner ersichtlich, daß bei den Varianten IV und VI, bei denen jede zweite Laufschaufel verkürzt war, der Arbeitsbereich der Kennlinie des Radialverdichters erweitert ist

In F i g. 8 sind Kennlinien von Radialverdichtern mit beschaufelten Diffusoren angegeben, wobei das Muster gemäß Variante I einen erfindungsgemäß beschaufelten Diffusor hatte und das Versuchsmuster gemäß Variante II einen beschaufelten Diffusor, dessen Schaufeln in bekannter Weise gemäß einem Kreisbogen verliefen. Es ist zu sehen, daß der erfindungsgemäß ausgeführte beschaufelte Diffusor eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Radialverdichters um ungefähr 2-=-3% mit sich bringt

Alle Kennlinien sind bei Machzahlen von etwa 0,8 erhalten worden. Bei experimentellen Untersuchungen wurden die Laufräder und beschaufelten Diffusoren bei Machzahlen bis 0,92 erprobt Hierbei wurde keine merkliche Abnahme des Wirkungsgrades des erfindungsgemäß ausgeführten Radialverdichters festgestellt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Radialverdichter mit einem Diffusor und einem Laufrad mit Schaufeln konstanter Dicke, deren Länge im Verhältnis zum arithmetischen Mittel der Breite des Schaufelkanals 3,8 bis 5,6 beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufeln (6,7; 10) wenigstens des Laufschaufelkranzes so gekrümmt sind, daß auf ihrem ersten Abschnitt von der Eintrittskante bis zur Mitte in radialer Richtung der Winkel (ß) zwischen der Schaufellinie und der Umfangsrichtung im betrachteten Punkt konstant und gleich dem Eintrittswinkel (ß\) ist und daß dieser Winkel auf dem zweiten Abschnitt von der Mitte in radialer Richtung bis zur Austrittskante nach einer quadratischen Parabel ansteigt

2. Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Schaufeln (6, 7) wenigstens des Laufschaufelkranzes derart verschieden lang sind, daß der Durchmesser des Kreises, auf dem die Eintrittskanten der kürzeren Schaufeln (7) liegen, 1,2 bis 13 des Durchmessers des Kreises beträgt, auf dem die Eintrittskanten der längeren Schaufeln (6) liegen.